地鐵低壓動(dòng)力照明系統(tǒng)調(diào)試優(yōu)化研究

張金松

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430061）

0 引言

地鐵的低壓動(dòng)力照明系統(tǒng)，主要是在公共區(qū)、設(shè)備區(qū)、軌行區(qū)進(jìn)行低壓電力照明配電與控制，具體包含：低壓智能配電、動(dòng)力照明配電、動(dòng)力照明控制、電力照明控制、防雷、接地與安全等相關(guān)領(lǐng)域。但由于地鐵是一個(gè)大型而又十分繁雜的系統(tǒng)工程，所以必須對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。針對(duì)軌道交通運(yùn)行模式與習(xí)慣，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)中所列的材料、器材等特殊的設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行大量的試驗(yàn)與分析，找出問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的改善，從而最大限度達(dá)到照明系統(tǒng)優(yōu)化效果。

1 工程概況

本文選用某地鐵站為例，它是一座明挖島型的地下3 層站臺(tái)，設(shè)有3 個(gè)出入口、兩個(gè)通風(fēng)亭子和一個(gè)安全出口，其中一個(gè)短軸末端是A，大軸末端是B，裝置層B 是一個(gè)低壓變電站，配電所承擔(dān)的是整個(gè)站臺(tái)和鄰近半段的電力供應(yīng)。該裝置的電力裝置層分在A、B 的兩端，并設(shè)有一臺(tái)通風(fēng)口，該控制臺(tái)為兩頭的通氣空調(diào)器提供電源。在站廳層、站臺(tái)層和設(shè)備層的末端各設(shè)有一套燈具，并將燈具安裝在該區(qū)域。根據(jù)車站內(nèi)實(shí)際情況，對(duì)其照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與施工研究。首先分析了隧道照明用電需求及電氣參數(shù)，其次確定照明方式、控制方法及照明燈具類型，最后對(duì)電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題提出解決方案，包括變壓器選擇、電纜敷設(shè)、線路計(jì)算等方面，并采用專業(yè)軟件完成了詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了照明節(jié)能目的[1]。

2 地鐵低壓動(dòng)力照明系統(tǒng)的優(yōu)化

2.1 接口優(yōu)化

地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)接口的優(yōu)化對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)而言是非常重要的，因?yàn)槠洳粌H關(guān)系到了乘客的生命安全問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)影響人們?nèi)粘９ぷ魃钯|(zhì)量的提升。所以說(shuō)，需要從整體上出發(fā)，采取合理有效的措施將各個(gè)模塊之間的連接進(jìn)行協(xié)調(diào)，這樣才能夠保證整個(gè)地鐵電力系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)更加穩(wěn)定安全。在對(duì)地鐵站點(diǎn)的低電壓電力照明系統(tǒng)進(jìn)行改造的時(shí)候，還必須對(duì)全功能進(jìn)行改進(jìn)，在每個(gè)站臺(tái)的配電室中，分別安裝了一個(gè)電源插座，然后通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的電源插座和電源開關(guān)進(jìn)行詳細(xì)的研究后，再對(duì)這些開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。例如，在本項(xiàng)目中，就要對(duì)車站EPS 面板下的電源進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再根據(jù)不同的界面位置采用不同的處理方式，再通過(guò)不同的處理方式來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而對(duì)電力照明系統(tǒng)達(dá)到更好的控制效果。而這種設(shè)計(jì)思路主要是基于目前我國(guó)大多數(shù)城市軌道交通系統(tǒng)都存在著一些比較大的問(wèn)題，如供電設(shè)備多、線路復(fù)雜等因素導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。所以在實(shí)際的情況中，為了使軌道交通系統(tǒng)得到良好的發(fā)展與完善，一定要針對(duì)出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題采取相應(yīng)的解決措施。

2.2 線纜優(yōu)化

線纜設(shè)備的優(yōu)化，一方面為了適應(yīng)電纜的整體結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的，另一方面為了適應(yīng)電纜的整體空間布局。就前者而言，必須結(jié)合特定的設(shè)計(jì)方案和特定的系統(tǒng)操作方式來(lái)進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，特別是電纜長(zhǎng)度、絕緣層的分析、電纜的工作品質(zhì)和長(zhǎng)度等因素的綜合分析，并且要經(jīng)過(guò)專家的分析，確保電纜的使用不會(huì)出現(xiàn)任何的問(wèn)題。在空間結(jié)構(gòu)方面，要根據(jù)各種線纜的功能、線纜的實(shí)際匹配、線纜的工作性能來(lái)調(diào)節(jié)各種不同的數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)不同線纜的不同加工方式來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。另外，這些電纜在整體造價(jià)和處理方式上都得到了很好的應(yīng)用效果，這也為線纜的后期維護(hù)提供了一定的參考依據(jù)。地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)線纜的優(yōu)化還可以通過(guò)對(duì)其相關(guān)參數(shù)的確定來(lái)實(shí)現(xiàn)，如電纜數(shù)量、線間距、線徑以及絕緣厚度等。其中對(duì)于電纜尺寸的選擇需要考慮電纜本身所具有的電氣特性；電纜導(dǎo)體材料的選擇則應(yīng)該考慮電纜自身所具備的絕緣性能和導(dǎo)熱性能，這樣才能保證電纜能夠安全有效地運(yùn)行[2]。

2.3 配電箱柜優(yōu)化

地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)中的配電箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但存在散熱性能差等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)對(duì)低壓配電箱及低壓開關(guān)柜進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了一種新型的軌道交通供電方式——一體化高壓直流供電系統(tǒng)（HVDC），并將其應(yīng)用于城市地鐵低電壓電力照明用電器。首先，了解了HVDC 的工作原理；其次，針對(duì)不同類型和功能的用電設(shè)備建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)選取合適參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)智能控制和節(jié)能增效。對(duì)地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)中配電箱柜的改造，提出了一種新型低壓側(cè)供電方式。該方式通過(guò)在箱體內(nèi)加裝高壓隔離開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓電線和低壓電器間的連接與保護(hù)功能，并采用三相橋式全控整流電路作為變壓器延邊輸出回路，從而將低壓側(cè)電源引入配電箱內(nèi)。對(duì)配電箱柜的優(yōu)化，主要是根據(jù)不同的操作方式和配電箱的不同作用而進(jìn)行的，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的低壓供電方案。該方案采用可編程控制器（PLC）作為控制單元，通過(guò)對(duì)開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行采集處理后，完成對(duì)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)、線路電流等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)還設(shè)計(jì)了基于工控機(jī)的監(jiān)控軟件，用于遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制現(xiàn)場(chǎng)用電情況。為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，利用PLC 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及人機(jī)界面友好的特點(diǎn)，開發(fā)出一套針對(duì)低壓電器保護(hù)及故障檢測(cè)的專用測(cè)控裝置。

2.4 其他系統(tǒng)優(yōu)化

在其他系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合軌道交通低壓電力系統(tǒng)的運(yùn)行原理、運(yùn)行方法及運(yùn)行處理的工作機(jī)制，以達(dá)到對(duì)各子系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。因此，在實(shí)際操作中，必須對(duì)各種設(shè)備的工作情況進(jìn)行全面的分析，以確定其是否可以滿足安全、可靠的工作需求，若不能實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并對(duì)其在現(xiàn)行的操作方式和現(xiàn)行的控制方式下，進(jìn)行有效、平穩(wěn)的操作。當(dāng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)時(shí)，就必須對(duì)這個(gè)目標(biāo)進(jìn)行特殊的設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)地鐵列車的整體運(yùn)營(yíng)性能的追蹤，在目前的運(yùn)營(yíng)方式下，當(dāng)列車的運(yùn)行狀態(tài)不能適應(yīng)列車的后期運(yùn)營(yíng)要求時(shí)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。對(duì)地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)的優(yōu)化與研究也是一個(gè)重要的課題，因?yàn)槠淠軌蛱岣哒麄€(gè)地鐵供電系統(tǒng)的效率，保證行車安全[3]。

3 地鐵低壓動(dòng)力照明系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用方法

3.1 優(yōu)化方案分析

在地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)中，不管是對(duì)現(xiàn)有的硬件設(shè)備，還是對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，都經(jīng)過(guò)了專家的驗(yàn)證，這也就意味著，在進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照目前的工作方式來(lái)合理地利用這些數(shù)據(jù)。這樣做不僅能夠提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的效率和質(zhì)量，而且還能減少不必要的資源浪費(fèi)。本文通過(guò)對(duì)我國(guó)城市軌道交通供電系統(tǒng)供電現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題進(jìn)行分析后，提出了一種基于智能電網(wǎng)技術(shù)的地鐵低電壓電力照明設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法將傳統(tǒng)的低壓電力照明系統(tǒng)與新型節(jié)能環(huán)保的智能電網(wǎng)相結(jié)合，并根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，從以下幾個(gè)方面入手：首先，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的闡述；其次，結(jié)合具體的案例，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分進(jìn)行計(jì)算，得出最終的設(shè)計(jì)方案，并依據(jù)此方案設(shè)計(jì)出一套完整的地鐵低電壓照明系統(tǒng)，包括高壓部分的主電路、低壓配電板、控制器等；最后，對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行分析。另外，在施工和相應(yīng)的制度設(shè)計(jì)中，要嚴(yán)格按照整個(gè)工作思路和工作質(zhì)量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)優(yōu)化方案的分析與實(shí)現(xiàn)研究是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及許多方面的內(nèi)容。在具體的實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況以及相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各方面因素的影響，并將其貫穿于其中。這樣才能確保整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的效果，同時(shí)還可以最大限度提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 優(yōu)化成果分析

在對(duì)地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)最終優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，為了避免傳統(tǒng)方法中存在的缺陷和不足，將模糊層次分析法引入地鐵低電壓電力照明設(shè)備選型過(guò)程中。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB 軟件對(duì)不同情況下各因素權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算和比較，得出各個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)值并排序，從而為專家提供更為全面、客觀的依據(jù)。整個(gè)過(guò)程必須有專家參加，以便了解當(dāng)前的工程進(jìn)度、預(yù)期作用、成本等方面的問(wèn)題，從而綜合處理這些問(wèn)題。另外，還可以根據(jù)專家給出的意見(jiàn)，來(lái)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案，以使工程達(dá)到最優(yōu)。若從所獲得的成效和問(wèn)題的表現(xiàn)層次來(lái)判斷，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的高效解決，則須對(duì)此方法進(jìn)行后續(xù)的梳理。對(duì)于一些影響供電質(zhì)量及安全運(yùn)行的不確定因素，應(yīng)采用改進(jìn)措施加以消除。例如，針對(duì)高低壓配電線路連接方式與接線形式選擇不當(dāng)造成故障點(diǎn)漏入變壓器繞組而產(chǎn)生短路現(xiàn)象；由于高壓配變負(fù)荷過(guò)大，導(dǎo)致部分用戶用電過(guò)載而發(fā)生火災(zāi)等事故。

在對(duì)地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化后所獲得的實(shí)際效果進(jìn)行深入的研究，當(dāng)使用效果、使用效率等方面存在問(wèn)題時(shí)，必須對(duì)現(xiàn)有的最優(yōu)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，從而保證最優(yōu)解的操作水準(zhǔn)。對(duì)于高低壓開關(guān)柜配電系統(tǒng)而言，其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，這些諧波電流通過(guò)變壓器后又會(huì)被線路損耗和無(wú)功補(bǔ)償裝置吸收掉，因此需要將電能轉(zhuǎn)化為直流電能，以滿足用電需求。目前，采用直流輸電技術(shù)已成為解決這一難題的重要手段之一。然而，由于該電網(wǎng)具有頻率高、功率因數(shù)低以及無(wú)功功率大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的交流供電方式難以有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，因而迫切需要一種高效實(shí)用的解決方案。隨著智能變電站建設(shè)水平的不斷提高，新型智能化輸變電設(shè)備也逐漸應(yīng)用于城市配網(wǎng)自動(dòng)化之中。其中，基于智能變電站的交/直交變壓開關(guān)控制是現(xiàn)代配電網(wǎng)最基本的一次電氣設(shè)備，可使電力系統(tǒng)更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，并可以減少因故障帶來(lái)的損失[4]。

3.3 優(yōu)化技術(shù)使用

在對(duì)優(yōu)化后的地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，應(yīng)從各技術(shù)的專業(yè)需求原理和工作機(jī)制出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行綜合研究。針對(duì)傳統(tǒng)的地鐵低電壓照明系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能節(jié)能LED燈控制系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)光、聲光報(bào)警以及遠(yuǎn)程控制等功能，有效提高了軌道交通供電的安全性與可靠性，同時(shí)也為人們提供一個(gè)安全舒適的生活環(huán)境。首先，通過(guò)分析地鐵低電壓照明系統(tǒng)配置方案中所涉及的相關(guān)內(nèi)容，確定了以單片機(jī)作為核心處理器，設(shè)計(jì)了一套完整的系統(tǒng)總體方案；其次，從軟件方面入手，介紹了各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法；最后，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況做了全面測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，而且還能滿足實(shí)際工程要求。

在當(dāng)前的工程中，針對(duì)低壓電力照明的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，但如果在實(shí)際應(yīng)用中，這些技術(shù)是不可能按照技術(shù)的規(guī)律來(lái)調(diào)整的，這就說(shuō)明了該技術(shù)的應(yīng)用效率很低，而同時(shí)，也要充分考慮到該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì)，將這些問(wèn)題重新整理出來(lái)。為了進(jìn)一步提升地鐵低壓電力照明的技術(shù)水平，需要結(jié)合不同類型的設(shè)備特點(diǎn)以及功能需求，選擇最適合的方案，并加強(qiáng)管理與維護(hù)，以確保其可以穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮出最大價(jià)值。

3.4 優(yōu)化方案調(diào)整

對(duì)地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)優(yōu)化方案的調(diào)整研究，就是以節(jié)能為主要目標(biāo)，通過(guò)建立合理有效的模型，并利用MATLAB 軟件中的Simulink 工具對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真計(jì)算，從而確定了在滿足各項(xiàng)要求的情況下，如何使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最小能耗；然后再根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題提出一些改進(jìn)措施，如降低變壓器容量，提高功率因數(shù)，減少諧波含量。首先，從相關(guān)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)和數(shù)據(jù)的含義來(lái)分析，這個(gè)流程必須確保最優(yōu)解的設(shè)計(jì)是正確的，而且從機(jī)制、效果等各方面來(lái)考慮，都要更加科學(xué)和完善。要按照相應(yīng)的最佳方案進(jìn)行具體的協(xié)調(diào)和處理，將各有關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的集成，這樣的話，在專家的指導(dǎo)下，制定的最佳方案，會(huì)更加具有科學(xué)性、完整性和合理性。其次，探究電力照明系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn)，分別對(duì)高壓直流供電系統(tǒng)、低壓交流供電系統(tǒng)以及城市軌道交通供電方式的原理及各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。針對(duì)目前我國(guó)地鐵低電壓電力照明設(shè)備的現(xiàn)狀，結(jié)合其工作環(huán)境和使用狀況，對(duì)其存在的一系列不足做詳細(xì)的分析。根據(jù)實(shí)際需求及相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)的低照度供電電源系統(tǒng)。最后，基于上述理論基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際需求，運(yùn)用專業(yè)工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真模擬。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較和選擇。最終得出一套較為完整的適合于當(dāng)前應(yīng)用條件的低電壓電力照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

在地鐵低壓電力照明系統(tǒng)的優(yōu)化工作中，要綜合分析整個(gè)方案的設(shè)定、故障的解決、有關(guān)信息的處理等，要在方案的應(yīng)用和分析中充分利用現(xiàn)有的工作機(jī)制和方法，以期達(dá)到最優(yōu)的效果。另外，在利用該方案的過(guò)程中，還需要對(duì)整個(gè)信息系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以便在現(xiàn)有的資源利用和積累的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。為地鐵低電壓電力照明系統(tǒng)運(yùn)行提供了一個(gè)良好的保障，使其能夠更好地為人們服務(wù)，同時(shí)也可以降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。